Sintetične celice, zasnovane tako, da posnemajo nekatere funkcije, ki jih opravljajo žive celice, obetajo uporabo v biotehnologiji in medicini. Tudi najmanjše biološke celice pa so izjemno kompleksne in gradnja živih umetnih celic se sooča s številnimi ovirami. Raziskovalci v Schulmanov laboratorij na Univerzi Johns Hopkins so pred kratkim napredovali pri enem od teh izzivov: izmenjavi snovi in informacij prek celičnih meja.
Pisanje v Znanost Predplačila, raziskovalci – ki delajo v sodelovanju z Skupina Aksimentiev na Univerzi Illinois Urbana-Champaign – demonstrirajo transport majhnih molekul brez puščanja skozi zgrajene nanokanale DNK na razdalje brez primere. V prihodnosti bo njihovo delo lahko pomagalo pri gradnji umetnih celic, pomagalo pa bo tudi pri študiju in manipulaciji živega tkiva.
Celice znotraj večceličnih organizmov morajo izmenjevati snov in komunicirati, da zagotovijo svoje skupno preživetje. Ker je vsaka celica obdana z lipidno membrano, ki je neprepustna za številne biološke molekule, je evolucija ustvarila mehanizme, s katerimi je to oviro mogoče premagati. Signalni receptorji, transporterji in pore posredujejo informacije in omogočajo prehod molekul med celicami in njihovo zunanjostjo, medtem ko celični stiki, kot so vrzelni spoji, neposredno povezujejo notranjost sosednjih celic in omogočajo difuzijo majhnih molekul od celice do celice.
Da bi posnemali te procese v umetnih sistemih, so "raziskovalci razvili sintetične celice, nameščene eno poleg druge, ki lahko komunicirajo skozi beljakovinske pore na svojih membranah", pojasnjuje prvi avtor Yi Li, ki je sovodil študijo. "Vendar pa je razvoj sintetičnih celičnih sistemov, kjer lahko celice komunicirajo in izmenjujejo materiale na daljših razdaljah, še vedno izziv."
Proteinske strukture, ki olajšajo komunikacijo med celicami v biologiji, so zgrajene "od spodaj navzgor" iz aminokislin - informacije, kodirane v njihovem zaporedju, se pretvorijo v strukturo. Druga biološka makromolekula, DNK, se v glavnem uporablja za shranjevanje informacij v celicah; toda zaradi svoje enostavnosti sinteze in potenciala za oblikovanje struktur na visoki ravni je področje nanotehnologije DNK daleč preseglo svoj prvi dokaz koncepta pred približno 30 leti. Znanstveniki so od takrat sestavljali vedno bolj sofisticirane 2D in 3D strukture iz DNK, vključno z mrežami, cevmi, geometrijskimi telesi in celo umetniškimi upodobitvami nasmejanih obrazov, v prizadevanjih, imenovanih DNK origami.
V svoji študiji so raziskovalci Schulman Laba združili nanopore DNK origami, ki premostijo membrane celičnim mehurčkom in ustvarijo majhne odprtine za prehajanje molekul, z inženirskimi samosestavljajočimi nanocevkami DNK. S kvantificiranjem toka molekule barvila v vezikle so pokazali, da kratke nanopore naredijo membrano prepustno za barvilo. Potrdili so tudi, da je hitrost tega transporta skladna z difuzijo, in ugotovili, da lahko posebej oblikovana kapica DNK blokira pore in prepreči vstop barvila.
Skupina je nato to delo razširila na nanocevke DNK s srednjo dolžino 700 nm in največ več kot 2 µm. Spet so poskusi pokazali, da je dotok barvila povečan v prisotnosti konstruktov DNK in da lahko pokrovček zaustavi permeacijo. Posledica, pravi Li, je, da lahko "majhne molekule prehajajo skozi cevi brez puščanja, in pričakujemo, da se velike molekule, kot so beljakovine, prav tako lahko prenašajo skozi te nanocevke".
Člani skupine Aksimentiev so izvedli računalniške simulacije Brownove dinamike sistema nanopore–barvilo. Ti so pokazali, da pri molekulah pod velikostjo praga prevladuje uhajanje skozi stransko steno cevi DNA pri dotoku, medtem ko pri večjih molekulah difuzija od konca do konca postane prednostni mehanizem.
Li pojasnjuje, da so takšne simulacije komplementarne z eksperimenti na dva načina. "Lahko jih uporabimo kot oblikovalska orodja za pomoč raziskovalcem pri načrtovanju nanometrskih struktur, ki imajo posebne funkcije," pravi, na primer s "simulacijo kinetike samosestavljanja naših nanostruktur DNK", pomagajo pa tudi pri "potrjevanju eksperimentalnih rezultatov in zagotavljanju dodatni vpogled v fizikalne procese«.
Naredi sam oblikovanje DNK
Rebecca Schulman, ki je sodelovala pri raziskavi, potegne analogijo s pipami. »Ta študija močno nakazuje, da je izvedljivo zgraditi nanocevke, ki ne puščajo, z uporabo teh enostavnih tehnik za samosestavljanje, kjer molekule mešamo v raztopino in pustimo, da oblikujejo strukturo, ki jo želimo. V našem primeru lahko te cevi tudi pritrdimo na različne končne točke, da tvorimo nekaj podobnega vodovodu.«
Laboratorij ima ambiciozne načrte za uporabo teh nanocevk. »Prihodnji razvoj vključuje povezovanje dveh ali več umetnih celic z našimi nanocevkami DNK in prikaz molekularnega transporta med njimi. Potencialno lahko pokažemo, [da] lahko transport signalnih molekul iz ene celice aktivira/deaktivira izražanje genov v drugi celici,” pravi Li. Svet fizike. Ekipa prav tako upa, da bo "uporabila nanocevke za nadzor dostave signalnih molekul ali terapevtikov celicam sesalcev, bodisi za preučevanje vedenja celične signalizacije ali za razvoj strategije dostave zdravil".
